一种低功耗心电信号发生器的设计

杨勇++杨超++罗志尧++高川

摘 要为了提高医院临床工程师维修心电监护设备的效率、保证心电监护设备临床诊断的准确性，增加临床教学过程的生动性；设计开发了一款低功耗心电信号发生器。本设计以TI公司新一代超低功耗单片机MSP430F5529為系统主控芯片，使用其对标准心电数据进行存储、编码；通过双路数模转换器（DAC）实现对人体标准心电信号的模拟输出。系统以双导联形式输出心电信号，心率可调范围为30～180bpm，心率步进间隔为1bpm，信号幅度小于1mV。

【关键词】心电信号发生器 单片机 心电

1 系统硬件设计

本设计采用TI公司新一代超低功耗单片机MSP430F5529为系统主控芯片并完成对心电数据的存储和编码；DAC将心电数据转换为模拟信号，经高性能运放平滑滤波、放大后再将信号衰减至1mV以下分两路输出。系统总体采用模块化思想设计，硬件电路包括：电源模块，系统控制模块（单片机最小系统），显示按键模块，数模转换模块，衰减电路模块，程序下载调试模块等。系统硬件电路框图如图1所示。

电源模块，为系统提供+5V、-5V、+3.3V电压。系统使用两节3.7V的干电池串联供电；使用 LM317稳压芯片将输入电压稳压为+5V输出，使用TPS60400芯片把+5V转换为-5V输出。使用LM1117-3.3将+5V转化为+3.3V输出。+5V供给运放和DAC，-5V供给运放，+3.3V供给单片机。

显示按键模块，系统输出信号心率使用3位数码管显示；使用一组按键（S1、S2、S3）设置心率：S1为加1键，S2为减1键，S3为确认键，当用S1和S2设置好心率时，需按下确认键S3。

数模转换模块，使用两片DAC0832将标准心电数据转化为模拟信号输出，分别模拟人体左右手心电信号。

衰减电路模块，为了模拟人体高阻抗、微弱信号等特点。本设计采用电阻分压器，将放大器输出的心电信号衰减至1mV以下以更真实的模拟人体的心电信号。

2 标准心电数据

如图2所示，一个正常完整的心率周期在 0.8 秒内，分为 P 波、Q 波、R 波、S 波、T波。P 波代表心房除极过程，正常时间小于 0.12 秒；P-R 间期代表心房除极开始至心室开始除极，正常时间为 0.12 秒到 0.2 秒；QRS 波群代表心室除极全过程，正常时间为 0.06秒到 0.1 秒；S-T 段代表心室复极全过程；T波反应心室复极后期的电位变化，正常时间为0.1秒到0.25秒。本文使用美国麻省理工学院提供的MIT-BIH心电数据库的心电数据进行采样编码。对标准心电图MIT-BIH（118）用MATLAB进行采样，采样率为设为500，得到编码值存储于单片机中作为标准心电数据。

3 系统软件设计

为了使系统灵活、高效，使单线程的CPU发挥出多线程的功能，系统软件设计采用前后台程序结构进行架构。在前后台程序结构中，所有后台任务是依次顺序执行的，一个任务执行完成后才执行下一个任务，不会出现多个后台任务同时访问共享资源的情况；其结构灵活，实现手段多样，可以根据实际需要灵活地调整。程序设计采用模块化设计思想，各个模块与硬件电路模块一一对应；提高了程序开发效率、可读性和拓展性，有利于二次开发和维护。系统软件程序的主流程图如图3所示；系统软件主要包括：初始化程序、系统主程序、输出程序和中断程序等。

如图3所示，初始化程序包括系统时钟初始化、LED显示引脚初始化、按键中断初始化、定时器初始化、心率编码存储、DAC0832控制引脚初始化等。初始化完成之后，设置输出信号的心率为60，并使系统进入低功耗模式3。

输出和中断程序包括DAC输出程序、数码管输出程序和定时器中断、按键中断程序。在按键中断程序中检测S1、S2是否按下，并做相应的处理。当心率大于75时心电周期小于0.8s，心电信号的各个波段时间减小，定时器的定时时间也相应变小。为了提高输出信号的准确度，程序使用定时器A0和A1分别计时。

4 结语

本文设计制作了一款低功耗心电信号发生器，系统产生的未衰减心电信号如图4蓝色（上）曲线，图中黄色（下）为徐州铭昇电子科技有限公司的SKX-2000C型心电信号仪输出的经放大后的标准心电信号，输出信号的心率都设置为60bpm。系统功耗为0.2W；能够输出30～180bpm的标准心电信号，心率的步进值为1bpm，信号幅度小于1mV。从图4可以看出，系统输出的信号准确，和公司的心电信号仪输出的信号质量基本相当。系统可以作为临床工程师维修、维护心电仪器的辅助检查设备，也可用于临床教学。本系统可以将输出扩展至十二导联形式、数据库增加包含各种心血管疾病的心电数据以模拟输出各种心血管疾病患者的心电信号形成多功能心电信号发生器。

参考文献

[1]张大伟，王海科.新型三导联无线ECG设计与其处理算法研究[J].郑州大学学报，2013，32（05）：35-37.

[2]谢楷，赵建.MSP430系列单片机系统工程设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2014.

作者简介

杨勇（1987-），男，硕士学位。助教。主要研究方向为神经电生理信号的采集。

作者单位

成都医学院人文信息管理实验教学中心 四川省成都市 610500endprint